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作者: 发布时间:2011-07-06 来源: 繁体版
韩宝林, 史洪源, 万雪飞 杭州和利时自动化有限公司DCS(Distributed Control System)系统广泛应用于火电、石油化工、造纸、建材和冶金等工业生产制造环境中。该系统继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点,克服了
韩宝林, 史洪源, 万雪飞 杭州和利时自动化有限公司

DCS(Distributed Control System)系统广泛应用于火电、石油化工、造纸、建材和冶金等工业生产制造环境中。该系统继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点,克服了常规仪表功能单一、人机交互差和单台计算机控制系统危险性高度集中的缺点,同时,它实现了管理、操作和显示三方面的集中,以及功能、负荷和危险性三方面的分散。典型DCS硬件系统由工程师站、操作员站、服务器、控制器、I/O从站、控制网络及设备、系统网络及设备、电源、机柜和操作台组成[1],如图1所示。在I/O从站中有一种开关输入信号(DI),普通项目对DI信号的分辨率要求不高,大约为200~300 ms。在实施某重大项目数字化数据采集和集中处理系统(KIT/KPS)改造时,要求DI信号采集分辨率达到50 ms,并且能够同时记录现场开关动作的时间。在DCS控制系统中,高分辨率和时间信息记录是为了能够依次分辨该高速DI信号之间的联锁关系(如汽轮机轴承油压低联锁主汽阀门关闭),判断各信号是否符合一定的动作顺序。目前DCS系统普通型DI模块性能,无法满足对这些信号的采集要求,因此需要对DCS系统DI信号处理方法进行升级改进。



1 问题描述

目前,采用PROFIBUS现场总线协议实现DCS控制系统控制器和I/O模块之间通信的产品,市场占有率在全国已经达到30%~40%,甚至更高[2]。PROFIBUS协议规定控制器和从站之间数据交换方式为主从轮询方式[3]。DCS系统在实际应用配置中,一般由多个控制站组成,一个控制器构成一个控制站,为了保证各控制站运行时基相同,采用以太网进行网络校时,可以确保任意控制站之间时间差值小于10 ms。同时,控制器周期性地通过PROFIBUS-DP主站以广播的形式给从站模块发软校时数据包,负责对从站I/O模块进行校时。普通DI模块设计为:当DP主站轮询到该模块请求发送数据时,DI模块就将当前周期采集的数据传送给控制器。在通信速率为500 kb/s时,每轮询一个从站实际所需要的时间大约为0.7 ms(该时间也和传输的数据量相关,所以不同厂家设计的产品该时间有差异)。考虑到控制器主站负荷、系统风险等因素,一般在实际工程中,推荐配置40~50个从站。但在实施KIT/KPS系统改造项目时,系统要求控制站加入的从站数量达到80个,协议规定一个PROFIBUS系统最大连接126个从站,如此主站轮询一圈从站所用的时间大约为56 ms,现场DI信号最快以50 ms跳变,就会出现采集的DI信号不能及时传送给控制器,新采集数据覆盖上周期数据的情况,导致现场采集的DI信号丢失。

2 理论论证

DI模块工作机制有两个明显的特征:(1)DI数据采样周期短,从站的信号采样周期比控制器运行周期短;(2)通信无应答,控制器是否收到DI数据,DI模块并不知道。在这两个特征下,为满足DI采集分辨率达到50 ms要求,要么缩短控制器与DP主站交换数据周期,要么DI模块采用“滑动窗口”机制,形成两种解决方案。

 (1)缩短控制器与DP主站交换数据周期。从站模块最慢50 ms周期采样一次,该时间包括DP轮询周期和DP主站与控制器交换数据的时间。同时,为保证控制器能可靠获取DI模块的上报数据,要求主站能在50 ms的DI采样周期内获取两次从站模块上报数据,所以需要控制器最慢25 ms能和DP主站交换一次数据。但是,缩短控制器的运行调度周期,会导致控制器负荷增加,系统容易死机,降低了系统的可靠性。

(2)采用“滑动窗口”机制。DI模块中开设固定数据存储区的“滑动窗口”,固定上报最近4个采样周期的DI数据,这样可以将每个采样周期的数据在DI模块中保持4个采样周期。此时以50 ms分辨率周期采集数据,每个采样周期的数据最多可以在DI模块中保留200 ms,这样DI从站有足够的时间将采集的数据传送给DP主站,保证DI数据无丢失。相比较而言,第2种方案对系统的影响小,可行性高。KIT/KPS项目改进实施就采用方案(2)。

在确定DI模块采样周期时,不考虑硬件时钟的差异,则采集误差最大值等于模块的采样周期,图2给出了一个示例分析。根据高速DI 50 ms分辨率要求,设计DI信号允许控制站间误差为40 ms。以太网可以确保控制器之间误差10 ms,控制器和从站模块之间时间最大误差1 ms,因此模块的扫描周期可以确定为29 ms,取整后确定为30 ms。4周期的数据保持时间达到120 ms,可以保证56 ms的DP轮询周期有2次将数据传送给控制器。



3实现方法

3.1 从站模块处理方法

为了能将现场高速跳变的DI信号全部传送给控制器,在现有产品硬件平台下,通过修改DI模块的信号固件采集机制,延长采集信号在从站模块中保持的时间,可确保满足DP轮询周期(DP主站逐个轮询各从站所需要的时间)的时间需要。具体方法是:采用“滑动窗口”机制,即在DI模块中开辟一片固定大小的数据存储区,将每周期采集的DI数据都存储在该存储区中。该存储区采用滑动机制,类似于FIFO,每个周期的采集数据都放在存储区的起始位置,然后各采样周期数据依次向后滑动,符合先入先出队列。具体项目实施过程中,将4个连续采样周期的数据(存储区的大小)作为一包数据传送给控制器。4个采样周期的存储时间大于现场DP轮询时间,模块每新采集一周期数据就放在存储区的第一周期采集数据处,原有数据依次向后滑动,将滑动溢出的第4周期采集数据丢弃,自动生成从站模块每DP轮询周期发送给DP主站的一包数据。这样采用“滑动窗口”机制原来只能在DI模块中保持一个采样周期的DI数据,而在现有处理机制下就能保持4个采样周期,延长了DI采集数据在模块中保持的时间,保证有足够的时间将DI采集数据传送给控制器。

DCS系统中提高数字量输入信号采集分辨率的方法
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